基于LED的深紫外光遥控起爆系统

孙绍文 张栎存 康小麓

北方工业大学电子信息工程学院

基于LED的深紫外光遥控起爆系统

孙绍文 张栎存 康小麓

北方工业大学电子信息工程学院

深紫外光遥控起爆系统，将深紫外光通信技术应用于遥控领域，可以实现在电磁干扰环境中的可视距离无线遥控起爆，大大提高了爆破的安全性。系统分为发送端与接收端，发送端通过深紫外LED光源，发送4个控制信号（充电、放电、引爆、测量炸药量），接收端以光电倍增管（PMT）探测弱光信号，接收并执行来自发送端的控制指令，并具有线控人工起爆功能。

波长在200nm至350nm范围之间的紫外光被称为深紫外光。由于臭氧层对太阳辐射中波长为240nm至280nm的紫外辐射具有强吸收作用，形成“日盲”区，即在该波段地面不存在太阳的“日盲”紫外干扰。深紫外光通信就是工作在日盲区，以深紫外光作为载体，把待传输的信息调制到深紫外光上，从而完成信息的传输。

深紫外光通信技术是一种新型通信方式，深紫外光通信有如下特点：首先，由于大气散射吸收，探测器只能接收到微弱信号，但干扰少，可以工作在如野外爆破等复杂的电磁环境中，并且无须严格对准。其次，紫外光在自由空间传播的过程中会呈指数衰减，所以传输距离大多为可视距离。

美国军方高度重视深紫外光通信领域，早在20世纪60年代，美国军方对短距离传输的深紫外光通信进行了大量研究。在2002年，美国开始研究以发光二极管为光源的深紫外光通信系统，并研制出275nm的深紫外LED。

我国对于紫外光通信的研究起步相对较晚，但国内近年也越来越重视对于紫外光通信领域的研究，国防科技大学首次使用“日盲”段LED为光源，研究了直升机紫外光通信系统；重庆大学也研究了基于紫外光的语音系统设计与实施。

紫外光通信抗干扰能力强，保密性好、非常适合短距离的复杂电磁环境，在抢险救灾，野外爆破等军事行动中有很大的前景。毋庸置疑，紫外光通信将会受到各个军事大家的高度重视与研究。

系统设计

系统设计框图如图1所示，系统主要由发送端和接收端组成。

图1　深紫外爆破系统设计框图

深紫外遥控起爆系统发送端，也是用户手持遥控器，以STC12C5620AD单片机为控制核心，通过键盘芯片HD7279控制8个按键。LCD显示器选用12864显示屏，构成中文人机交互界面，方便用户操作。每个按键对应一条控制指令，指令从串口发送，并通过LED驱动芯片NU551驱动深紫外LED光源，完成电光转换。系统电源部分采用锂电池供电并通过TPS61032高效升压转换器输出稳定5V电压。

深紫外遥控起爆系统接收端，即起爆器。接收端有两个控制模式：遥控模式和线控人工起爆模式。在遥控模式下，系统会接受并执行来自发送端的指令。在线控人工起爆模式下，接收端可以通过按键，直接对爆破装置进行充电、放电、起爆以及弹药测量功能。

深紫外LED光源

发送端将指令调制到LED光源上，通过深紫外光发射，所以紫外光源的选取非常关键，目前紫外光源主要有紫外激光器、紫外气体灯、紫外光发光二极管。本系统采用紫外光发光二极管，具有体积小、单色光检测灵敏度高、光谱响应的宽度窄、载波频率高的特点，系统选用的LED深紫外光源可以产生波长为268nm的深紫外辐射，由于地球大气的强烈吸收，选用波长为268nm的深紫外LED光源可以大大提高系统的抗干扰性。

深紫外光遥控起爆系统的发送端

LED驱动电路

驱动电路采用NU511芯片，NU511是单通道LED驱动芯片，可以输出100mA－1.2A电流，支持3－12V电压，支持高达1MHz的占空比频率，其驱动电路如图2所示。

图2　紫外LED及其驱动电路

信号产生控制模块

信号产生与控制模块，分为键盘控制和屏幕显示部分，键盘控制部分由HD7279和单片机组成，HD7279是一片具有接口可同时连接多达64键的键盘矩阵，内含去抖动电路，以串行的方式输出键值，节省IO口。本系统设计共有8个按键，分别为充电开关、放电开关、引爆开关、上选开关、下选开关、左移开关、右移开关和确认开关，图3为键盘控制电路。

显示电路选用带中文字库的12864液晶屏，让用户通过键盘选择不同功能，单片机检测按键键值并通过串口发送相应指令，至LED驱动电路OE端，将指令信号加到光源上，通过深紫外LED将信号发送出去。图4为遥控器按键控制面板。

图3　键盘控制电路

图4　按键控制与显示面板

发送端软件设计

发送端程序流程图如图5所示。

发送端通过键盘检测按键，并执行相应按键功能，每个发送端遥控器都可以单独设置ID，可与接收端匹配。通过串口发送指令，并经深紫外LED灯调制到光路发送。

图5　发送端程序流程图

光电探测器

接收端选用光电倍增管做完光电探测器，光电倍增管由发射阴极、聚焦电极、倍增极和阳极组成。由于紫外光在大气中的传播呈指数衰减，故只有很少的光子达到光电探测器，而光电倍增管利用二次电子发射的原理，可以检测到微弱的光信号，是一种弱光探测器。为了配合发射端发射的深紫外光的波长，接收端选用滨松公司的R7154光电倍增管，其响应波段为160nm至320nm，光谱响应峰值为254nm，符合设计需求。

爆破系统一般应用环境为室外环境，在室外环境下，会存在可见光和红外光的干扰，为了消除干扰，将噪声降至最低，在探测器前端增加“日盲”紫外滤光片。滤光片主要分为干涉滤光片和吸收滤光片，本设计采用干涉滤光片，其中心波长为268.3nm，半波带宽为17.6nm，峰值透射率为20.4%。

PMT高压供电模块

为了产生强电场发射电子，光电倍增管需要在阴极和阳极之间加入高达千伏的高压。滨松公司的R7154工作电压为1250V，所以系统需要PMT高压供电模块。高压供电模块选用C7950系列。C7950系列高压供电模块由稳压高压电源、有源分压器、电流－电压转换器以及带宽0～5MHz的宽带放大器组成。C7950在正常工作时，只需要提供±15V的电压以及0～3.6V的控制电压。

C7950工作原理如下：稳压高压电源产生高电压后经过有源分压器分压后驱动PMT，当PMT检测到光子后输出信号经宽带放大器放大后输出，图6为高压供电模块工作原理框图。

图6　高压供电模块工作原理框图

图7　探测器与单片机接口电路

图8　接收端软件流程图

图9　弹药接口电路

深紫外光遥控起爆系统的接收端

探测器与单片机接口电路

PMT探测到信号后经LM339放大器放大，放大倍数可根据电位器的值调整，方便调试。经过放大后的信号进入单片机串口接收端RXD，单片机检测指令后作出响应，图7为探测器与单片机接口电路。

接收端软件设计

软件流程图如图8所示，接收端具有遥控模式和手动模式，其中遥控模式具有匹配ID，与发射端设备ID号匹配，用于防止一个遥控器同时遥控多个引爆控制器。在遥控模式下，串口接收遥控器发出的指令，一条指令分为4个字节，包括开始字节、设备ID字节、命令字节和结束字节。接收端检测指令，判断设备ID是否匹配后执行相应命令（充电、放电、引爆、弹药测量）。

在手动模式下，用户可直接操作控制器，完成相应功能。

单片机接到相应指令完成相应操作，其中充电、放电与引爆指令为驱动ULN2003控制继电器，对大电容进行充电与放电的操作；弹药测量指令为利用STC12C5620AD内部AD采集弹药阻值并显示。

弹药接口设计

弹药接口电路采用继电器对电路的充放电进行逻辑保护。通过单片机控制充放电继电器和引爆继电器。充电时继电器闭合，电路对电容充电。引爆时引爆继电器闭合，连接弹药接口，点燃雷管，图9为弹药接口电路。

结语

本文介绍了深紫外光遥控爆破器的设计，给出了主要电路图、电路原理及设计方案，从软件和硬件介绍。利用深紫外光通信的原理，利用“日盲”波段解决了在室外环境下的太阳辐射干扰。本设计的优点：（1）采用“日盲”波段深紫外光，减少干扰。（2）液晶显示，可以实施观察充电状态，增加安全性（3）键盘操作，通过按键完成充电、放电和起爆，操作方便实用性强。（4）采用锂电池供电，携带方便，适合室外作业。